EP2998981A1 - Graphoepitaxy method for creating patterns on the surface of a substrate - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to directed self-assembly techniques of Directed Self-Assembly (DSA) to generate very high resolution and density patterns. More particularly, the invention relates to a method of making patterns on the surface of a substrate, such as contact holes or trenches, using block copolymers.
- DSA Directed Self-Assembly
- the patterns were made by optical projection lithography.
- a photosensitive layer is deposited on a substrate, then exposed to an ultraviolet beam through a mask defining the patterns.
- the size of the smallest achievable pattern (also called critical dimension "CD” for "Critical Dimension") is closely related to the wavelength of the beam used: the shorter the wavelength, the more the pattern can be made. be finer and more integration density of these patterns in an integrated circuit can be important.
- the ultraviolet beams used in photolithography conventionally have a wavelength of 193 nm or 248 nm.
- This method of defining patterns has the advantage of being well controlled and less expensive than other methods, including electronic lithography processes. However, with such wavelengths, the resolution of the exposure tool is limited.
- double-patterned photolithography (“double-patterning")
- EUV Extreme UltraViolet lithography
- e-beam electron beam lithography
- DSA Directed Self-Assembly
- Block copolymers are polymers in which two repeating units, a monomer A and a monomer B, form chains linked together by a covalent bond.
- the chains are given sufficient mobility, for example by heating these block copolymers, the chain A and the chain B tend to separate into phases or blocks and to reorganize under specific conformations, which depend in particular on the ratio between the monomer A and the monomer B.
- this ratio it is possible, for example, to have spheres of the monomer A in a matrix of the monomer B, or else rolls of A in a matrix of B, or else lamellae of A and strips of B interposed.
- Block copolymers thus have the property of forming patterns that can be controlled by the ratio of monomers.
- Chemi-epitaxy consists of modifying the chemical properties of certain portions of the substrate, to force the organization of the copolymer blocks between these portions. These portions of the chemically modified substrate are typically delimited by a photolithography step followed by a plasma step.
- grapho-epitaxy consists of forming primary patterns called guides on the surface of a substrate, these patterns delimiting zones within which a layer of block copolymer is deposited.
- the guide patterns control the organization of the copolymer blocks to form higher resolution secondary patterns within these areas.
- the guide patterns are conventionally formed by photolithography in a resin layer, and possibly transferred into a hard mask.
- the grapho-epitaxy technique has recently been used to form contact holes in an integrated circuit.
- the secondary units are developed by selectively removing one of the two blocks of the copolymer (for example the rolls of A), thereby forming holes in the remaining layer of copolymer (the matrix of B). Then, these holes are etched onto the surface of the substrate, usually in a dielectric layer.
- the secondary pattern is smaller than the primary pattern, i.e. the guide pattern. There is then only one contact hole per guide pattern. It is also possible to multiply the number of patterns by forming several contact holes per guide pattern ("multiplication contact").
- the current methods of grapho-epitaxy are dependent on the density of the guide patterns on the substrate. Indeed, since the filling of the guiding motifs is done by spin coating, the thickness of the block copolymer layer inside a guiding pattern depends on its area, its aspect ratio (depth / width) and the number of guide patterns nearby. Therefore, for guiding patterns of the same dimensions, the thickness of the copolymer layer in an insulated pattern is greater than the thickness obtained in a plurality of closely spaced patterns.
- the thickness of the copolymer layer in the assembly guides affects the transfer of the patterns by etching, because the copolymer layer serves as an etching mask. If in some assembly guides the copolymer thickness is too small, an increase in the critical dimension of the patterns can occur during their transfer, because the etching mask is insufficient. Conversely, when the copolymer thickness is too great, contact holes may be missing, their transfer having failed.
- the thickness of the copolymer layer also affects the step of self-assembly of the block copolymer.
- a too small or too large thickness of the copolymer layer in the guides can cause a bad organization of the blocks.
- some polymer patterns may not orient perpendicularly to the substrate.
- these assembly defects relate to insulated guides, where the thickness of block copolymer is the largest.
- the thickness of the layer of block copolymer varies within the guiding units of the same substrate (for example according to their density), it is rare to obtain the assembly and transfer of all the secondary units. with the same performance, especially in terms of critical dimension.
- the assembly guide may designate a layer (or a stack of several layers) in which openings or cavities are formed, for example by photolithography.
- the guide may be made in the form of openings directly in the substrate. These openings form guide patterns in which the block copolymer is deposited.
- opening rate of the assembly guide The ratio of the area of the openings in the guide, and the total area of a field containing these openings, for example 2 ⁇ m ⁇ 2 ⁇ m, is referred to above as "opening rate of the assembly guide".
- an aperture rate in a first area of the substrate greater than that in a second area of the substrate equals a greater opening density in the first area than in the second zone. It is also possible to achieve a higher opening rate in the first zone, without necessarily having a greater number of openings, when the openings of the first zone have larger areas than those of the second zone.
- the deposition step hereinafter referred to as a "planarization step" makes it possible to obtain a layer of block copolymer, which protrudes from the assembly guide (forming a excess thickness above the upper face of the guide, said reference surface) and whose surface is substantially flat.
- a portion of the block copolymer layer located inside the openings of the assembly guide is found organized according to the desired pattern. In general, it is sought to obtain patterns oriented perpendicular to the plane of the substrate and, advantageously, arranged periodically.
- the remaining portion of the block copolymer layer i.e. the excess thickness
- the remaining portion may be oriented or not (i.e. disorganized). If it is oriented, it can be oriented in the same direction as the patterns of the organized portion or another orientation.
- the remaining portion generally has defects. By default, we mean any break in the periodic network. These defects are erased by uniformly thinning the block copolymer layer, to keep only the properly organized copolymer at the bottom of the guide.
- the portion of the layer that is not located inside the openings of the assembly guide and organized according to the desired pattern - in which the copolymer domains are arbitrary, for example oriented parallel to the substrate (and not perpendicularly) -, does not affect the transfer, since it is first removed during the thinning stage.
- the thinning step of the block copolymer layer advantageously takes place after the copolymer assembly step.
- the monomer blocks are separated and frozen during the step of thinning the layer.
- the thinning step may nevertheless be performed before the assembly step or in part before and partly after.
- the thinning step and the step of removing one of the phases of the assembled block copolymer are advantageously carried out in the same plasma etching frame, or simultaneously using a single plasma chosen from Ar / O 2 , C x F y , SF 6 , N 2 / H 2 , CO / O 2 , CO / H 2 , CH 4 / O 2 , C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 and C x H y / H 2 , either by a succession of steps using plasmas of different natures or by alternation of at least two plasmas.
- the deposition of the block copolymer layer is carried out by spin coating.
- the method firstly comprises a step F1 represented in FIG. Figure 1A during which an assembly guide 1 is formed on the surface of a substrate 2.
- the assembly guide 1 comprises openings 10 which extend from the upper face 1a of the guide to the substrate 2. These openings 10 correspond to to the guide patterns in which the block copolymer will be deposited.
- the substrate 2 comprises at least two zones 20a and 20b on which the guide patterns 10 are distributed.
- the distribution of the patterns 10 within the assembly guide 1 is such that the guide has an opening rate in the upper zone 20a. to that in zone 20b.
- this is schematized by three openings 10 in the zone 20a, while the zone 20b has only one, all the openings 10 having substantially the same dimensions.
- zone 20a comprising as many openings 10 as the zone 20b, but openings whose dimensions are greater than those of the zone 20b. This case occurs in particular when it is desired to form, on the same substrate, several patterns (for example contact holes) by opening in zone 20a ("multiplication contact”) and a single pattern by opening in zone 20b ( “Contact shrinking").
- the assembly guide 1 may be formed of a hard mask which covers the substrate and consists of one or more layers.
- the guide patterns 10 in the mask are then obtained by etching these different layers.
- a layer of resin is deposited on the hard mask, then printed by means of a photolithography (at a wavelength of 193 nm for example), an UltraViolet Extreme Lithography (EUV), a lithography by electron beam (“e-beam”) or any other lithographic technique (nano-printing, multiple exposure photolithography ).
- EUV UltraViolet Extreme Lithography
- e-beam lithography by electron beam
- any other lithographic technique nano-printing, multiple exposure photolithography
- the hard mask is a bilayer stack comprising a first carbon layer 11 ("Spin On Carbon", SOC), in contact with the substrate 2, and a second anti-reflective layer 12 disposed on the carbon layer 11.
- the layer anti-reflective 12 is, for example, a silicon-rich coating ("Silicon Anti-Reflective Coating", SiARC).
- This bilayer stack notably makes it possible to adapt the optical refractive index of the substrate, avoiding the creation of standing waves during the photolithography step, and has good selectivity in the face of etching of the block copolymer.
- the assembly guide may be formed of a resin layer disposed directly on the substrate, the guide patterns having been printed in the resin by means of any of the aforementioned lithography, for example by photolithography (insolation and development of a portion of the resin).
- This resin may in particular be a negative tone development resist. A solvent is then used to remove the unexposed regions of the resin, while the exposed regions remain on the substrate.
- the guide patterns 10 of the guide 1 can have different shapes, in particular rectangular, circular or elliptical, and spacings or no repetition ("pitch” in English) variables, in order to obtain a reduction and / or a multiplication of the contact holes ("contact shrink” and / or “contact multiplication”). They can also form networks of lines.
- the thickness of the guide 1, that is to say the height of the patterns 10, is advantageously between 5 nm and 1000 nm, typically between 20 nm and 300 nm.
- a surface preparation step may be performed to promote the disposition of the domains of the block copolymer, for example perpendicular to the surface on which it will be deposited.
- This optional step F2 is represented at Figure 1B .
- one or more suitable homopolymers can be grafted onto it.
- Surface neutralization can be obtained by grafting a random copolymer.
- a layer 3 made of homopolymer or random copolymer is then grafted onto the bottom and / or the side walls of the guiding units 10.
- the grafted layer 3 typically has a thickness of 2 nm to 20 nm.
- the grafting of the layer 3 is conventionally carried out in three steps: deposition of the material (homopolymer or random copolymer), annealing and rinsing.
- the substrate may also be chosen to promote the arrangement of the copolymer domains. It is therefore not mandatory to use a neutralization layer.
- a layer of block copolymer 4 is deposited in the assembly guide 1.
- the difference in the opening rate of the assembly guide in several zones of the substrate causes, in the method of the prior art, a difference in thickness of the copolymer layer inside the guide.
- the deposition conditions are chosen so that the layer of block copolymer 4 has, in each zone 20a, 20b of the substrate, substantially the same thickness. This requires that the layer 4 protrudes from the assembly guide 1.
- the guide patterns 10 are not only completely filled, but in addition, the layer of block copolymer 4 is in excess thickness above of the guide 1.
- the block copolymer of layer 4 can be a di-block copolymer (two monomers A and B) or multi-block copolymer (more than two monomers), a mixture of polymers, a mixture of copolymers or the mixture of a copolymer and a homopolymer. It can be of any morphology, for example spherical, cylindrical, gyroid, lamellar, depending on the proportion between the monomer blocks.
- the material of layer 4 is, for example, a diblock copolymer containing a styrene derivative (typically polystyrene, PS) and a methalcrylate derivative (typically polymethyl methacrylate, PMMA).
- a styrene derivative typically polystyrene, PS
- a methalcrylate derivative typically polymethyl methacrylate, PMMA.
- the PMMA domains are, after assembly, in the form of cylinders contained in a PS matrix.
- other proportions between the monomers can be envisaged, in order to obtain domains of different geometry (lamellar, spherical ).
- the deposition of the block copolymer layer is preferably carried out by spin coating (or "spin coating” according to the English term).
- a solution containing a solvent for example toluene or propylene glycol monomethyl ether (PGMEA)
- PMEA propylene glycol monomethyl ether
- the copolymer material for example PS-b-PMMA
- This deposition mode is particularly suitable for flattening a surface topography, such as that generated by the cavities of the assembly guide 1 on the substrate 2.
- planarization of a surface topography by spin coating has been the subject of numerous studies.
- the Stillwagon et al. have shown that the efficiency of this planarization depends on the dimensions of the cavity to be filled (cf. Fig.1C , width w and height h), the thickness (h f ) of the deposited polymer film and the viscosity of the polymer.
- the surface becomes flat when the capillary forces are equal to the centrifugal force during operation of the spin.
- w vs 16 ⁇ h ⁇ 2 r 1 3
- ⁇ is the surface tension
- h is the height of the cavity
- ⁇ the density of the polymer
- ⁇ the rotational speed of the substrate
- r the radial position of the cavity on the substrate.
- Equation (1) above does not take into account the viscosity of the polymeric material because it is based on the assumption that the spin-on material is a Newtonian fluid, i.e. where the viscosity does not vary with the rate of deformation or with time. According to LE Stillwagon et al., A second equation can then be introduced to take into account the fact that the response of a polymeric material subjected to a force can spread over time.
- the thickness of the copolymer layer 4 deposited on the substrate 2 is advantageously between 1 and 2 times the thickness of the assembly guide 1.
- the deposition conditions such as the rotational speed, the weight percentage of the copolymer
- the amount of copolymer necessary to completely fill the guide depends, of course, on the number and size of the guide patterns formed on the substrate, in particular their height.
- Various morphological characterization techniques such as the profilometer, make it possible to verify that the layer 4 is flat on the surface, which means that all the guide patterns 10 are filled. Several examples of these deposit conditions will be given later.
- planarization rate obtained as a function of the thickness of the deposited block copolymer has been studied, in particular in the article [ A Parametric Study of Spin Coating over Topography, Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 37, No. 6, pp. 2223-2227, 1998 ].
- step F3 of the figure 1C the flatness of the copolymer layer at blocks 4 is considered satisfactory when the planarization rate (as defined in this article) is greater than 50%, and advantageously greater than 75%.
- the figure 1D represents the F4 assembly step of the block copolymer, after the deposition of the layer 4 in step F3.
- the copolymer layer After assembly, there are two portions of the copolymer layer: a portion 4a located at the bottom of the assembly guide 1 and a portion 4b located on the portion 4a and substantially corresponding to the extra thickness of the copolymer layer 4 above the assembly guide 1.
- the domains of the copolymer are generally misdirected.
- the domains of PMMA and PS can be randomly arranged.
- surface defects of the mixed orientation type that is to say a mixture of PMMA cylinders oriented parallel and perpendicular to the substrate 2, are observed.
- the domains of the PMMA block and the PS block are correctly oriented.
- the PMMA domains are in the form of cylinders 41 perpendicular to the substrate 2, each cylinder 41 being surrounded by a matrix 42 of polystyrene.
- the upper face of the organized portion 4a may not correspond to the surface of the assembly guide 1 (reference surface 1a).
- the organized portion 4a of the PS- b -PMMA copolymer layer will reach 70 nm thick.
- the self-assembly of the blocks is preferably carried out by means of a heat treatment or annealing.
- the temperature and duration of the annealing are advantageously optimized as a function of the thickness of the copolymer layer 4.
- an annealing of 2 min at 250 ° C. can be carried out in the case of a PS- b- PMMA copolymer with a period of about 35 nm.
- the assembly of the block copolymer may alternatively be obtained by an ultrasonic treatment or by a so-called solvent annealing operation, rather than by a heat treatment, or by a combination of these two techniques, or by any other technique known to those skilled in the art.
- Step F5 of the figure 1E consists in etching the portion 4b of the copolymer layer located on the surface of the assembly guide 1, until reaching the organized portion 4a located inside the guide 1.
- This etching is performed directionally and uniformly on the plate such that the copolymer layer thus thinned has the same thickness at any point of the substrate 2, and therefore in the areas 20a and 20b where the distribution and / or the dimensions of the guide patterns 10 differ.
- anisotropic etching can be performed.
- step F5 the thinning of the block copolymer layer 4 is performed by chemical mechanical planarization (CMP).
- CMP chemical mechanical planarization
- the thinning of the copolymer layer 4 is performed by plasma etching.
- the SiARC layer 12 can advantageously serve as a stop layer for etching. It then allows better control of the thinning and avoids the deterioration of the guide patterns 10.
- the guide does not allow to be used as a stop layer (example of the resin guide)
- it is possible to create this stop layer before the deposition of the block copolymer, for example by densifying the resin constituting the guide or by depositing an oxide on the guide.
- the deposition of the oxide can be done by different deposition techniques (PECVD, ALD, PEALD ...) in order to be compatible with the material constituting the guide in terms of deposition temperature.
- a layer of silicon dioxide SiO 2 may be deposited on the resin guide by PEALD ("Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition") at a temperature of 50 ° C or the resin of the guide can be densified during 50 seconds by an HBr plasma (100 sccm) under a pressure of 5 mTorr and with a power of 1200 W.
- PEALD Pullasma-Enhanced Atomic Layer Deposition
- HBr plasma 100 sccm
- the oxide is an easily integrable material but it can be replaced by any other material fulfilling the role of stop layer during thinning of the polymer and whose deposition is compatible with the guide.
- the gases that can be used to etch block copolymers are, for example, O 2 , CO, CO 2 , H 2 , N 2 .... These gases can be combined with one another (eg CO / O 2 , CO / H 2 ...) or with other inert gases (eg Ar / O 2 , Ar / N 2 , He / O 2 ...), polymerizing (ie carbonated, eg CH 4 / O 2 ) or fluorinated (C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 ).
- a mixture of several types of gas can also be used, as well as other gas chemistries: C x F y , SF 6 ...
- the plasma is generated from a mixture of Ar / O 2 gas, at a pressure of 10 mTorr, with a power of 220 W and a bias voltage of 100 V.
- the amount of oxygen represents between 9% and 100% of the mixture. It is thus possible to etch the copolymer PS- b -PMMA selectively with respect to SiARC (a selectivity greater than 20, for example of the order of 40, can thus be achieved).
- plasma etching has the advantage of etching the copolymer without damaging the assembly guide 1. Indeed, given that the organized portion 4a of the block copolymer is within the guide 1, the chemical mechanical polishing has the effect of planing the guide at the same time as the block copolymer to achieve the desired thickness, for example 70 nm in a guide of 125 nm in height. Conversely, a plasma etching process can leave the assembly guide intact, because of its large size. selectivity with respect to the material (s) which constitutes (s) the assembly guide.
- the thinning of the copolymer layer is carried out wet, with or without the presence of ultraviolet exposure.
- Liquid solutions for etching block copolymers are solvents, such as PGMEA, toluene and cyclohexane. The chosen solution does not aggravate the assembly guide.
- the surface of the copolymer layer may be previously modified by a plasma using a gas such as He, Ar, HBr, N 2 , CH 4 , CO, H 2 , C x F y , C x H y , CH x F y ...
- the portion thus modified by plasma is then selectively removed by wet leaving in the guide only the unmodified portion.
- the chemical modification plasma is generated from Ar gas at a pressure of 10 mTorr, with a power of 500 W and a bias voltage of 300 V.
- the method then comprises a step F6 (cf. fig.1F ) elimination of one of the phases of the assembled block copolymer layer, here PMMA cylinders 41.
- a step F6 cf. fig.1F
- Patterns 43 are then obtained in a residual layer 42 composed solely of the other phase of the copolymer, polystyrene.
- the resolution of these secondary reasons 43 is very high because of the same order of magnitude as the PMMA domains.
- the removal of the PMMA cylinders is performed in the same plasma etching frame as the thinning of the copolymer layer (step F5).
- a first strategy consists of carrying out both steps simultaneously, using a single plasma with gas mixtures (reactive / inert gas or reactive / polymerizing gas) such as Ar / O 2 , C x F y , SF 6 , N 2 / H 2 , CO / O 2 , CO / H 2 , CH 4 / O 2 , C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 and C x H y / H 2 .
- gas mixtures reactive / inert gas or reactive / polymerizing gas
- a second strategy is to perform several successive etching steps within the same equipment, first to thin the block copolymer layer, then remove the PMMA selectively relative to the PS, with etching chemistries different between the two steps.
- thinning can be achieved with a CF 4 plasma (no selectivity between PMMA and PS) and PMMA removal by means of a CO / O 2 plasma (PMMA / PS> 10 selectivity).
- PMMA / PS> 10 selectivity allows independent control of the thinning and removal of PMMA by plasma etching.
- the two steps F5 and F6 can use two different equipment.
- the thinning of the copolymer layer may be carried out with a plasma without selectivity with respect to SiARC, PMMA or PS, especially using fluorinated chemistries (eg CF 4 ), while the removal of PMMA is carried out by other ways than plasma etching, for example wet.
- the patterns 43 in the polystyrene layer 42 are transferred to the underlying substrate 2.
- the desired patterns 21 contact holes to form via, sliced to form metal lines, etc.
- This transfer uses the polystyrene layer 42 and the assembly guide 1 as an etching mask. In other words, only the portions of the substrate 2 located vertically above the holes 43 are etched. Polystyrene 42 and assembly guide 1 are then eliminated so as to keep only the substrate 2 etched at the openings of the guide.
- Tests were carried out on a substrate provided with an assembly guide having a height of about 125 nm and a variable opening rate.
- the guide patterns considered are cylinders of one size.
- the equivalent thickness of the copolymer layer (measurable on the control substrate, for example by ellipsometry) is about 12 nm.
- the substrate with the assembly guide it is observed under a scanning electron microscope that certain guide patterns are not completely filled by the copolymer material. The amount of copolymer deposited is therefore insufficient and a flat layer is not reached.
- This first test reflects the conditions for obtaining patterns according to the method of the prior art (where there is no planarization step, or thinning step).
- the thickness values obtained in the guide after assembly differ according to the density of the guiding units: typically 120 nm for a density of patterns of 0.01, 120 nm for a density of 0.04 and 50 nm for a density of 0.2 (AFM measurements) .
- the equivalent thickness of the copolymer layer is about 50 nm and all the guide patterns are fully covered by the block copolymer.
- a thinning step by Ar / O 2 plasma, succeeds the spin coating and the assembly of the copolymer. It comprises a first etching step of about 20 s to reach the surface of the guide (ie the SiARC layer) and a second step, called over-etching step, of about 5 s to reach the organized portion of the coating layer. copolymer.
- the block copolymer layer assembled in the guide measures 110 nm in thickness, where the density of the guiding units is 0.01, 100 nm thick, where the density is 0.04 and 85 nm in thickness. the density is 0.2 (AFM measurements).
- the equivalent thickness of the copolymer is about 120 nm. All the patterns are also buried by the block copolymer material.
- the thinning operation following the assembly is identical to that described in Test No. 2, except as regards the duration of the two etching steps: approximately 46 s for the first step and 12 s for the second step step of over-engraving. It can be seen in the AFM images that, after assembly and thinning, the thickness of the block copolymer layer is identical in all the zones of the assembly guide, that is to say whatever the density of the patterns guidance. It is approximately 70 nm.
- the upper curve corresponds to test No. 1, that is to say to conventional spinning deposit conditions (without planarization).
- the other two curves correspond to the tests n ° 2 and n ° 3, which implement the steps of the Figures 1C and 1E (planarization and thinning).
- the method according to the invention makes it possible to significantly reduce the variation in thickness within a variable density assembly guide. Indeed, by depositing the equivalent of a 50 nm thick layer, the variation in thickness within the guide reaches only 30% (middle curve), compared to 70% in the method of the prior art ( top curve). By depositing the equivalent of a 120 nm thick layer, a uniform thickness i.e. a zero variation) can be achieved. This homogeneity of thickness, obtained thanks to the combination of the planarization and thinning steps, will allow to transfer by engraving both dense contact holes and isolated contact holes, with a minimum of defects (missing contacts or over- etched).
- the deposition conditions may be chosen to deposit a layer of block copolymer having an equivalent thickness greater than 50 nm and preferably greater than 120 nm.
- the method for producing patterns according to the prior art causes, after the spin coating, a greater copolymer thickness on the edges of a pattern field 100 than at the center of the same field, because it exists locally. a breakdown of the density of the guide patterns 10 (this density suddenly falls to zero beyond the field 100). However, this difference in thickness usually causes the appearance of undesirable patterns at the edge of the field 100.
- the thickness obtained after the thinning stage of the figure 1E is uniform, both in the center of the pattern field 100 and on its edges. The method according to the invention thus has the advantage of being devoid of this effect this edge.
- step F3 the spreading of the block copolymer layer in step F3 ( Fig.1C ) can be obtained otherwise than by spin coating, for example by vapor deposition (CVD) or any other technique known to those skilled in the art.
- CVD vapor deposition
- the thickness of the block copolymer layer is reduced to a thickness corresponding to the future organized portion of the block copolymer. Preliminary tests have made it possible to determine below what height is the organized portion of copolymer, and thus up to where to thin the copolymer layer.
- the thinning in two stages, successive or separate chronologically by the step of assembling the block copolymer.
- the first of these steps can be performed before assembling the block copolymer and the second step after assembly.
- an aggressive etching technique will be used during the first step in order to "rough-cut" the copolymer layer, and a less aggressive etching technique for the second step, in order to obtain a thinned copolymer layer with a better state. surface (ie smoother).
- CMP plasma etching
- wet etching can be combined, for example CMP for the first step and plasma etching for the second step.
- PS-b-PLA polystyrene-block-polylactic acid
- PS-b-PEO polystyrene-block-polyoxide ethylene
- PS-b-PDMS polystyrene-block-polydimethylsiloxane
- PS-b-PMMA-b-PEO polystyrene-block-polymethylmethacrylate-block-polyethylene oxide
- PS-b-P2VP polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine).
- the hard mask in which the assembly guide is formed can be made of titanium nitride (TiN), silicon nitride (SiN) and / or silicon dioxide (SiO 2 ), rather than a SiARC stack. / SOC.
- TiN titanium nitride
- SiN silicon nitride
- SiO 2 silicon dioxide
- the number and thickness of the hard mask layers are also likely to vary, depending on the nature of the block copolymer and the etching techniques used.
- integration of the block copolymer directly into a resin mask can also be envisaged.
- planarization and thinning steps described above can be used in a hybrid integration combining grapho-epitaxy and chemo-epitaxy, insofar as the substrate has a topography - even very small (greater than 5 nm) - allowing the assembly of the block copolymer.
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Abstract
L'invention concerne un procédé de réalisation de motifs à la surface d'un substrat (2) par auto-assemblage de copolymère à blocs, comprenant les étapes suivantes :
- former un guide d'assemblage (1) sur des première et seconde zones (20a, 20b) du substrat, le guide d'assemblage présentant par rapport à une surface de référence (1a) des ouvertures avec un taux d'ouverture dans la première zone (20a) supérieur à celui de la seconde zone (20b) ;
- déposer une couche de copolymère à blocs (4) sur le substrat (2), de sorte que la couche de copolymère à blocs (4) remplisse entièrement le guide d'assemblage (1) et forme une surépaisseur sur la surface de référence (1 a) ;
- assembler (F4) le copolymère à blocs, d'où il résulte une portion organisée (4a) de la couche de copolymère à blocs à l'intérieur des ouvertures du guide d'assemblage (1) ;
- amincir uniformément la couche de copolymère à blocs (4), jusqu'à atteindre une épaisseur correspondant à la portion organisée (4a) de la couche de copolymère à blocs ;
- éliminer une des phases du copolymère à blocs assemblé, d'où il résulte une pluralité de motifs initiaux s'étendant dans la couche de copolymère à blocs ; et
- transférer les motifs initiaux de la couche de copolymère à blocs dans le substrat (2) pour former lesdits motifs finaux.
The invention relates to a process for producing patterns on the surface of a substrate (2) by self-assembly of block copolymer, comprising the following steps:
forming an assembly guide (1) on first and second zones (20a, 20b) of the substrate, the assembly guide having, with respect to a reference surface (1a), openings with a degree of opening in the first zone (20a) greater than that of the second zone (20b);
depositing a layer of block copolymer (4) on the substrate (2), so that the layer of block copolymer (4) completely fills the assembly guide (1) and forms an extra thickness on the reference surface ( 1 a);
- assembling (F4) the block copolymer, from which there results an organized portion (4a) of the block copolymer layer within the openings of the assembly guide (1);
uniformly thinning the block copolymer layer (4) to a thickness corresponding to the organized portion (4a) of the block copolymer layer;
removing one of the phases of the assembled block copolymer, resulting in a plurality of initial patterns extending into the block copolymer layer; and
- Transfer the initial patterns of the block copolymer layer into the substrate (2) to form said final patterns.
Description
La présente invention concerne les techniques d'auto-assemblage dirigé de copolymères à blocs (« Directed Self-Assembly », DSA) afin de générer des motifs de très hautes résolution et densité. L'invention concerne plus particulièrement un procédé de réalisation de motifs à la surface d'un substrat, tels que des trous de contact ou des tranchées, en utilisant des copolymères à blocs.The present invention relates to directed self-assembly techniques of Directed Self-Assembly (DSA) to generate very high resolution and density patterns. More particularly, the invention relates to a method of making patterns on the surface of a substrate, such as contact holes or trenches, using block copolymers.
Les besoins de procédés pour réaliser des motifs de dimensions nanométriques ont fortement augmenté ces dernières années, en raison de la tendance à la miniaturisation des composants électroniques.Process requirements for making nano-sized patterns have increased significantly in recent years, due to the trend toward miniaturization of electronic components.
Initialement, les motifs étaient réalisés par lithographie optique par projection. Dans ce procédé de réalisation, une couche photosensible est déposée sur un substrat, puis exposée à un faisceau ultraviolet à travers un masque définissant les motifs. La taille du plus petit motif réalisable (aussi appelée dimension critique « CD » pour « Critical Dimension » en anglais) est étroitement liée à la longueur d'onde du faisceau utilisé : plus la longueur d'onde est courte, plus le motif réalisé peut être fin et plus la densité d'intégration de ces motifs dans un circuit intégré peut être importante.Initially, the patterns were made by optical projection lithography. In this method of realization, a photosensitive layer is deposited on a substrate, then exposed to an ultraviolet beam through a mask defining the patterns. The size of the smallest achievable pattern (also called critical dimension "CD" for "Critical Dimension") is closely related to the wavelength of the beam used: the shorter the wavelength, the more the pattern can be made. be finer and more integration density of these patterns in an integrated circuit can be important.
Les faisceaux ultraviolets utilisés en photolithographie ont classiquement une longueur d'onde de 193 nm ou 248 nm. Ce procédé de définition de motifs présente l'avantage d'être bien maitrisé et moins coûteux que d'autres procédés, notamment les procédés de lithographie électronique. Toutefois, avec de telles longueurs d'onde, la résolution de l'outil d'exposition est limitée.The ultraviolet beams used in photolithography conventionally have a wavelength of 193 nm or 248 nm. This method of defining patterns has the advantage of being well controlled and less expensive than other methods, including electronic lithography processes. However, with such wavelengths, the resolution of the exposure tool is limited.
Afin de réaliser des motifs plus fins, mieux résolus, et donc d'augmenter encore la densité d'intégration, de nouveaux procédés ont été développés, comme la photolithographie double exposition (« double-patterning »), la lithographie Extrême UltraViolet (EUV) et la lithographie par faisceau d'électrons (« e-beam »).In order to achieve finer patterns, better solved, and thus to further increase the integration density, new processes have been developed, such as double-patterned photolithography ("double-patterning"), Extreme UltraViolet lithography (EUV). and electron beam lithography (e-beam).
Parmi les technologies de lithographie émergentes, on peut également citer les techniques d'auto-assemblage dirigé de copolymères à blocs (« Directed Self-Assembly, DSA). Les copolymères à blocs sont des polymères dans lesquels deux unités de répétition, un monomère A et un monomère B, forment des chaînes liées entre elles par une liaison covalente. Lorsque l'on donne suffisamment de mobilité aux chaînes, par exemple en chauffant ces copolymères à blocs, la chaîne A et la chaîne B ont tendance à se séparer en phases ou blocs et à se réorganiser sous des conformations spécifiques, qui dépendent notamment du ratio entre le monomère A et le monomère B. En fonction de ce ratio, on peut par exemple avoir des sphères du monomère A dans une matrice du monomère B, ou bien des cylindres de A dans une matrice de B, ou encore des lamelles de A et des lamelles de B intercalées. La taille des domaines du bloc A (respectivement du bloc B) est directement proportionnelle à la longueur des chaines du monomère A (respectivement du monomère B). Les copolymères à blocs ont donc la propriété de former des motifs qui peuvent être contrôlés grâce au ratio de monomères.Emerging lithography technologies also include Directed Self-Assembly (DSA) directed self-assembly techniques. Block copolymers are polymers in which two repeating units, a monomer A and a monomer B, form chains linked together by a covalent bond. When the chains are given sufficient mobility, for example by heating these block copolymers, the chain A and the chain B tend to separate into phases or blocks and to reorganize under specific conformations, which depend in particular on the ratio between the monomer A and the monomer B. Depending on this ratio, it is possible, for example, to have spheres of the monomer A in a matrix of the monomer B, or else rolls of A in a matrix of B, or else lamellae of A and strips of B interposed. The size of the domains of the block A (respectively of the block B) is directly proportional to the length of the chains of the monomer A (respectively of the monomer B). Block copolymers thus have the property of forming patterns that can be controlled by the ratio of monomers.
Les techniques connues d'auto-assemblage de copolymères à blocs peuvent être regroupées en deux catégories, la grapho-épitaxie et la chémi-épitaxie, toutes deux décrites en détail dans l'article ["
La chémi-épitaxie consiste à modifier les propriétés chimiques de certaines portions du substrat, pour forcer l'organisation des blocs de copolymère entre ces portions. Ces portions du substrat modifiées chimiquement sont typiquement délimitées par une étape de photolithographie suivie par une étape de plasma.Chemi-epitaxy consists of modifying the chemical properties of certain portions of the substrate, to force the organization of the copolymer blocks between these portions. These portions of the chemically modified substrate are typically delimited by a photolithography step followed by a plasma step.
Alternativement, la grapho-épitaxie consiste à former des motifs primaires appelés guides à la surface d'un substrat, ces motifs délimitant des zones à l'intérieur desquelles une couche de copolymère à blocs est déposée. Les motifs de guidage permettent de contrôler l'organisation des blocs de copolymère pour former des motifs secondaires de plus haute résolution à l'intérieur de ces zones. Les motifs de guidage sont classiquement formés par photolithographie dans une couche de résine, et éventuellement, transférés dans un masque dur.Alternatively, grapho-epitaxy consists of forming primary patterns called guides on the surface of a substrate, these patterns delimiting zones within which a layer of block copolymer is deposited. The guide patterns control the organization of the copolymer blocks to form higher resolution secondary patterns within these areas. The guide patterns are conventionally formed by photolithography in a resin layer, and possibly transferred into a hard mask.
La technique de grapho-épitaxie a été récemment utilisée pour former des trous de contact dans un circuit intégré. Après dépôt et assemblage du copolymère à blocs dans les motifs de guidage, les motifs secondaires sont développés en retirant sélectivement l'un des deux blocs du copolymère (par exemple les cylindres de A), formant ainsi des trous dans la couche restante de copolymère (la matrice de B). Puis, ces trous sont transférés par gravure à la surface du substrat, généralement dans une couche diélectrique.The grapho-epitaxy technique has recently been used to form contact holes in an integrated circuit. After deposition and assembly of the block copolymer in the guiding units, the secondary units are developed by selectively removing one of the two blocks of the copolymer (for example the rolls of A), thereby forming holes in the remaining layer of copolymer ( the matrix of B). Then, these holes are etched onto the surface of the substrate, usually in a dielectric layer.
Grâce à cette technique, on peut réduire la dimension des motifs (application dite « contact shrink » en anglais), le motif secondaire étant de plus faibles dimensions que le motif primaire, i.e. le motif de guidage. Il n'y alors qu'un seul trou de contact par motif de guidage. On peut aussi multiplier le nombre de motifs, en formant plusieurs trous de contact par motif de guidage (« contact multiplication »).With this technique, we can reduce the size of the patterns (application called "contact shrink" in English), the secondary pattern is smaller than the primary pattern, i.e. the guide pattern. There is then only one contact hole per guide pattern. It is also possible to multiply the number of patterns by forming several contact holes per guide pattern ("multiplication contact").
Comme discuté dans l'article ["
Or, l'épaisseur de la couche de copolymère dans les guides d'assemblage affecte le transfert des motifs par gravure, car la couche de copolymère sert de masque de gravure. Si dans certains guides d'assemblage l'épaisseur de copolymère est trop faible, une augmentation de la dimension critique des motifs peut se produire lors de leur transfert, car le masque de gravure est insuffisant. A l'inverse, lorsque l'épaisseur de copolymère est trop importante, des trous de contact peuvent manquer, leur transfert ayant échoué.However, the thickness of the copolymer layer in the assembly guides affects the transfer of the patterns by etching, because the copolymer layer serves as an etching mask. If in some assembly guides the copolymer thickness is too small, an increase in the critical dimension of the patterns can occur during their transfer, because the etching mask is insufficient. Conversely, when the copolymer thickness is too great, contact holes may be missing, their transfer having failed.
L'épaisseur de la couche de copolymère affecte également l'étape d'auto-assemblage du copolymère à blocs. En effet, une épaisseur trop faible ou trop importante de la couche de copolymère dans les guides peut entrainer une mauvaise organisation des blocs. En particulier, certains motifs de polymère peuvent ne pas s'orienter perpendiculairement au substrat. En général, ces défauts d'assemblage concernent les guides isolés, où l'épaisseur de copolymère à blocs est la plus importante.The thickness of the copolymer layer also affects the step of self-assembly of the block copolymer. In fact, a too small or too large thickness of the copolymer layer in the guides can cause a bad organization of the blocks. In particular, some polymer patterns may not orient perpendicularly to the substrate. In general, these assembly defects relate to insulated guides, where the thickness of block copolymer is the largest.
Ainsi, comme l'épaisseur de la couche de copolymère à blocs varie au sein des motifs de guidage d'un même substrat (par exemple suivant leur densité), il est rare d'obtenir l'assemblage et le transfert de tous les motifs secondaires avec les mêmes performances, notamment en termes de dimension critique.Thus, since the thickness of the layer of block copolymer varies within the guiding units of the same substrate (for example according to their density), it is rare to obtain the assembly and transfer of all the secondary units. with the same performance, especially in terms of critical dimension.
Il existe donc un besoin de prévoir un procédé de réalisation de motifs finaux à la surface d'un substrat par auto-assemblage de copolymère à blocs qui soit indépendant de la configuration du guide d'assemblage, c'est-à-dire un procédé qui permette d'obtenir des motifs avec les mêmes performances quelle que soit la répartition et les dimensions des motifs de guidage.There is therefore a need to provide a method for producing final patterns on the surface of a substrate by self-assembly of block copolymer that is independent of the configuration of the assembly guide, that is to say a process which allows to obtain patterns with the same performance regardless of the distribution and dimensions of the guide patterns.
Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant les étapes suivantes :
- former un guide d'assemblage sur des première et seconde zones du substrat, le guide d'assemblage présentant par rapport à une surface de référence des ouvertures avec un taux d'ouverture dans la première zone supérieur à celui de la seconde zone ;
- déposer une couche de copolymère à blocs sur le substrat, de sorte que la couche de copolymère à blocs remplisse entièrement le guide d'assemblage et forme une surépaisseur sur la surface de référence ;
- assembler le copolymère à blocs, d'où il résulte une portion organisée de la couche de copolymère à blocs à l'intérieur des ouvertures du guide d'assemblage ;
- amincir uniformément la couche de copolymère à blocs, jusqu'à atteindre une épaisseur correspondant à la portion organisée de la couche de copolymère ;
- éliminer une des phases du copolymère à blocs assemblé, d'où il résulte une pluralité de motifs initiaux s'étendant dans la couche de copolymère à blocs ; et
- transférer les motifs initiaux de la couche de copolymère à blocs dans le substrat pour former lesdits motifs finaux.
- forming an assembly guide on first and second zones of the substrate, the assembly guide having openings with an opening ratio in the first zone greater than that of the second zone relative to a reference surface;
- depositing a layer of block copolymer on the substrate, so that the block copolymer layer completely fills the assembly guide and forms an extra thickness on the reference surface;
- assembling the block copolymer resulting in an organized portion of the block copolymer layer within the openings of the assembly guide;
- uniformly thinning the block copolymer layer to a thickness corresponding to the organized portion of the copolymer layer;
- removing one of the phases of the assembled block copolymer, resulting in a plurality of initial patterns extending into the block copolymer layer; and
- transferring the initial patterns of the block copolymer layer into the substrate to form said final patterns.
Le guide d'assemblage peut désigner une couche (ou un empilement de plusieurs couches) dans laquelle sont formées des ouvertures, ou cavités, par exemple par photolithographie. Selon une variante de réalisation, le guide peut être réalisé sous forme d'ouvertures directement dans le substrat. Ces ouvertures forment des motifs de guidage dans lesquels est déposé le copolymère à blocs.The assembly guide may designate a layer (or a stack of several layers) in which openings or cavities are formed, for example by photolithography. According to an alternative embodiment, the guide may be made in the form of openings directly in the substrate. These openings form guide patterns in which the block copolymer is deposited.
On appelle ci-dessus « taux d'ouverture du guide d'assemblage » le rapport entre la superficie des ouvertures dans le guide, et la surface totale d'un champ contenant ces ouvertures, par exemple de 2 µm x 2 µm. Lorsque toutes les ouvertures des motifs de guidage du substrat ont la même superficie, un taux d'ouverture dans une première zone du substrat supérieur à celui dans une seconde zone du substrat équivaut à une densité d'ouvertures plus importante dans la première zone que dans la seconde zone. On peut aussi atteindre un taux d'ouverture supérieur dans la première zone, sans nécessairement que le nombre d'ouvertures y soit plus important, lorsque les ouvertures de la première zone ont des superficies plus importantes que celles de la seconde zone.The ratio of the area of the openings in the guide, and the total area of a field containing these openings, for example 2 μm × 2 μm, is referred to above as "opening rate of the assembly guide". When all the openings of the substrate guide patterns have the same area, an aperture rate in a first area of the substrate greater than that in a second area of the substrate equals a greater opening density in the first area than in the second zone. It is also possible to achieve a higher opening rate in the first zone, without necessarily having a greater number of openings, when the openings of the first zone have larger areas than those of the second zone.
L'étape de dépôt, appelée ci-après « étape de planarisation », permet d'obtenir une couche de copolymère à blocs, qui dépasse du guide d'assemblage (formant une surépaisseur au-dessus de la face supérieure du guide, dite surface de référence) et dont la surface est sensiblement plane.The deposition step, hereinafter referred to as a "planarization step", makes it possible to obtain a layer of block copolymer, which protrudes from the assembly guide (forming a excess thickness above the upper face of the guide, said reference surface) and whose surface is substantially flat.
Après l'étape d'assemblage du copolymère à blocs, une portion de la couche de copolymère à blocs située à l'intérieur des ouvertures du guide d'assemblage se retrouve organisée selon le motif recherché. En général, on cherche à obtenir des motifs orientés perpendiculairement au plan du substrat et, avantageusement, agencés de façon périodique. La portion restante de la couche de copolymère à blocs (i.e. la surépaisseur) peut être orientée ou non (i.e. désorganisée). Si elle est orientée, elle peut l'être selon la même direction que les motifs de la portion organisée ou une autre orientation. La portion restante comporte en général des défauts. Par défaut, on entend toute rupture du réseau périodique. Ces défauts sont gommés en amincissant uniformément la couche de copolymère à blocs, pour ne conserver que le copolymère correctement organisé au fond du guide.After the step of assembling the block copolymer, a portion of the block copolymer layer located inside the openings of the assembly guide is found organized according to the desired pattern. In general, it is sought to obtain patterns oriented perpendicular to the plane of the substrate and, advantageously, arranged periodically. The remaining portion of the block copolymer layer (i.e. the excess thickness) may be oriented or not (i.e. disorganized). If it is oriented, it can be oriented in the same direction as the patterns of the organized portion or another orientation. The remaining portion generally has defects. By default, we mean any break in the periodic network. These defects are erased by uniformly thinning the block copolymer layer, to keep only the properly organized copolymer at the bottom of the guide.
Ainsi, grâce à l'étape de planarisation, suivie de l'étape d'assemblage et de l'étape d'amincissement, on obtient une couche de copolymère organisé de même épaisseur dans tous les motifs de guidage du substrat, quelles que soient leur taille et leur répartition dans les première et seconde zones. On peut alors retirer l'un des blocs du copolymère organisé et transférer les motifs générés par ce retrait dans le substrat de la même manière pour tous les motifs de guidage, contrairement aux procédés de l'art antérieur où il n'y a ni étape de planarisation, ni étape d'amincissement.Thus, thanks to the planarization step, followed by the assembly step and the thinning step, an organized copolymer layer of the same thickness is obtained in all the substrate guide patterns, whatever their size and their distribution in the first and second zones. We can then remove one of the blocks of the organized copolymer and transfer the patterns generated by this withdrawal in the substrate in the same way for all the guide patterns, unlike the processes of the prior art where there is no stage planarization, or thinning step.
La portion de couche qui n'est pas située à l'intérieur des ouvertures du guide d'assemblage et organisée selon le motif recherché - dans laquelle les domaines de copolymère sont quelconques, par exemple orientés parallèlement au substrat (et non perpendiculairement) -, est sans incidence sur le transfert, puisque celle-ci est au préalable supprimée lors de l'étape d'amincissement.The portion of the layer that is not located inside the openings of the assembly guide and organized according to the desired pattern - in which the copolymer domains are arbitrary, for example oriented parallel to the substrate (and not perpendicularly) -, does not affect the transfer, since it is first removed during the thinning stage.
L'étape d'amincissement de la couche de copolymère à blocs, réalisée par exemple par gravure plasma et/ou par polissage mécano-chimique, a lieu avantageusement après l'étape d'assemblage du copolymère. Ainsi, les blocs de monomère sont séparés et figés lors de l'étape d'amincissement de la couche. Il n'y a par conséquent aucun risque de perturber l'organisation des domaines du copolymère. L'étape d'amincissement peut néanmoins être réalisée avant l'étape d'assemblage ou encore en partie avant et en partie après.The thinning step of the block copolymer layer, carried out for example by plasma etching and / or chemical-mechanical polishing, advantageously takes place after the copolymer assembly step. Thus, the monomer blocks are separated and frozen during the step of thinning the layer. There is therefore no risk of disturbing the organization of the domains of the copolymer. The thinning step may nevertheless be performed before the assembly step or in part before and partly after.
L'étape d'amincissement et l'étape d'élimination d'une des phases du copolymère à blocs assemblé sont avantageusement réalisées dans un même bâti de gravure plasma, soit simultanément en utilisant un plasma unique choisi parmi Ar/O2, CxFy, SF6, N2/H2, CO/O2, CO/H2, CH4/O2, CxFy/O2, CHxFy/O2, CxFy/H2, CHxFy/H2 et CxHy/H2, soit par une succession d'étapes utilisant des plasmas de natures différentes ou par alternance d'au moins deux plasmas.The thinning step and the step of removing one of the phases of the assembled block copolymer are advantageously carried out in the same plasma etching frame, or simultaneously using a single plasma chosen from Ar / O 2 , C x F y , SF 6 , N 2 / H 2 , CO / O 2 , CO / H 2 , CH 4 / O 2 , C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 and C x H y / H 2 , either by a succession of steps using plasmas of different natures or by alternation of at least two plasmas.
De préférence, le dépôt de la couche de copolymère à blocs est réalisé par dépôt à la tournette.Preferably, the deposition of the block copolymer layer is carried out by spin coating.
Le procédé selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le guide d'assemblage est formé d'un masque disposé sur le substrat et texturé par photolithographie et/ou gravure ou réalisé directement dans le substrat par photolithographie et/ou gravure ;
- ce masque comprend une première couche carbonée en contact avec le substrat et une seconde couche anti-réflective riche en silicium disposée sur la première couche carbonée, ladite couche anti-réflective riche en silicium servant de couche d'arrêt lors de l'amincissement de la couche de copolymère à blocs assemblé ;
- le guide d'assemblage comporte une pluralité d'ouvertures formant des motifs de guidage répartis entre les première et seconde zones du substrat ;
- les motifs de guidage ont une hauteur comprise entre 5 nm et 1000 nm ;
- la surface des motifs de guidage présente une affinité particulière pour un ou plusieurs des blocs du copolymère à blocs ;
- le fond des motifs de guidage est neutre par rapport aux blocs du copolymère à blocs tandis que les flancs des motifs de guidage présentent une affinité particulière pour un ou plusieurs des blocs du copolymère à blocs ;
- la surface des motifs de guidage est neutre par rapport aux blocs du copolymère à blocs ;
- l'affinité particulière du guide d'assemblage pour un ou plusieurs blocs du copolymère à blocs est obtenue par le greffage d'un ou plusieurs homopolymères ; et
- la neutralisation du guide d'assemblage est obtenue par le greffage d'un copolymère statistique.
- the assembly guide is formed of a mask disposed on the substrate and textured by photolithography and / or etching or made directly in the substrate by photolithography and / or etching;
- this mask comprises a first carbon layer in contact with the substrate and a second silicon-rich anti-reflective layer disposed on the first carbon layer, said silicon-rich anti-reflective layer serving as a stop layer during the thinning of the block copolymer layer assembled;
- the assembly guide comprises a plurality of openings forming guide patterns distributed between the first and second zones of the substrate;
- the guiding units have a height of between 5 nm and 1000 nm;
- the surface of the guide patterns has a particular affinity for one or more blocks of the block copolymer;
- the bottom of the guide patterns is neutral with respect to the blocks of the copolymer while the flanks of the guiding units have a particular affinity for one or more blocks of the block copolymer;
- the surface of the guide patterns is neutral with respect to the blocks of the block copolymer;
- the particular affinity of the assembly guide for one or more blocks of the block copolymer is obtained by grafting one or more homopolymers; and
- the neutralization of the assembly guide is obtained by grafting a random copolymer.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- les
figures 1A à 1G représentent par des vues de coupe des étapes d'un procédé pour réaliser des motifs à la surface d'un substrat, selon un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'invention ; - la
figure 2 représente la variation d'épaisseur de copolymère à blocs au sein d'un guide d'assemblage en fonction de la densité des motifs dans le guide, après l'étape de dépôt selon un procédé de l'art antérieur (essai n°1) et après l'étape d'amincissement du procédé selon l'invention (essais n°2 et 3) ; et - les
figures 3A et 3B représentent schématiquement une couche de copolymère à blocs au sein d'un guide d'assemblage, respectivement après l'étape de dépôt selon un procédé de l'art antérieur et après l'étape d'amincissement du procédé selon l'invention.
- the
Figures 1A to 1G represent, by cutting views, the steps of a method for producing patterns on the surface of a substrate, according to a preferred embodiment of the invention; - the
figure 2 represents the variation of block copolymer thickness within an assembly guide as a function of the density of the patterns in the guide, after the deposition step according to a method of the prior art (test No. 1) and after the thinning step of the process according to the invention (tests Nos. 2 and 3); and - the
Figures 3A and 3B schematically represent a block copolymer layer within an assembly guide, respectively after the deposition step according to a method of the prior art and after the thinning step of the method according to the invention.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures.For the sake of clarity, identical or similar elements are identified by identical reference signs throughout the figures.
Un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux
Le procédé comporte tout d'abord une étape F1 représentée à la
Le substrat 2 comporte au moins deux zones 20a et 20b sur lesquelles sont répartis les motifs de guidage 10. La répartition des motifs 10 au sein du guide d'assemblage 1 est telle que le guide présente un taux d'ouverture dans la zone 20a supérieur à celui dans la zone 20b. Dans l'exemple de la
On pourrait aussi envisager une zone 20a comprenant autant d'ouvertures 10 que la zone 20b, mais des ouvertures dont les dimensions sont supérieures à celles de la zone 20b. Ce cas se présente notamment lorsqu'on souhaite former, sur un même substrat, plusieurs motifs (par exemple des trous de contact) par ouverture 10 dans la zone 20a (« contact multiplication ») et un seul motif par ouverture dans la zone 20b (« contact shrinking »).One could also consider a
Le guide d'assemblage 1 peut être formé d'un masque dur qui recouvre le substrat et se compose d'une ou plusieurs couches. Les motifs de guidage 10 dans le masque sont alors obtenus par gravure de ces différentes couches. Typiquement, une couche de résine est déposée sur le masque dur, puis imprimée au moyen d'une photolithographie (à une longueur d'onde de 193 nm par exemple), d'une lithographie Extrême UltraViolet (EUV), d'une lithographie par faisceau d'électrons (« e-beam ») ou toute autre technique de lithographie (nano-impression, photolithographie à exposition multiple...). Puis, les motifs de guidage imprimés dans la résine sont transférés par gravure dans les couches du masque dur.The assembly guide 1 may be formed of a hard mask which covers the substrate and consists of one or more layers. The
De préférence, le masque dur est un empilement bicouche comportant une première couche carbonée 11 (« Spin On Carbon », SOC), en contact avec le substrat 2, et une seconde couche anti-réflective 12 disposée sur la couche carbonée 11. La couche anti-réflective 12 est, par exemple, un revêtement riche en silicium (« Silicon Anti-Reflective Coating », SiARC). Cet empilement bicouche permet notamment d'adapter l'indice de réfraction optique du substrat, évitant la création d'ondes stationnaires lors de l'étape de photolithographie, et présente une bonne sélectivité face à la gravure du copolymère à blocs.Preferably, the hard mask is a bilayer stack comprising a first carbon layer 11 ("Spin On Carbon", SOC), in contact with the
Dans une variante de réalisation (non représentée), le guide d'assemblage peut être formé d'une couche de résine disposée directement sur le substrat, les motifs de guidage ayant été imprimés dans la résine au moyen de l'une quelconque des techniques de lithographie susmentionnées, par exemple par photolithographie (insolation et développement d'une partie de la résine). Cette résine peut notamment être une résine à tonalité de développement négative (« negative tone development resist » en anglais). Un solvant est alors utilisé pour enlever les régions non-exposées de la résine, tandis que les régions exposées restent sur le substrat.In an alternative embodiment (not shown), the assembly guide may be formed of a resin layer disposed directly on the substrate, the guide patterns having been printed in the resin by means of any of the aforementioned lithography, for example by photolithography (insolation and development of a portion of the resin). This resin may in particular be a negative tone development resist. A solvent is then used to remove the unexposed regions of the resin, while the exposed regions remain on the substrate.
Vus de dessus, les motifs de guidage 10 du guide 1 peuvent avoir différentes formes, notamment rectangulaire, circulaire ou elliptique, et des écartements ou pas de répétition (« pitch » en anglais) variables, afin d'obtenir une réduction et/ou une multiplication des trous de contact (« contact shrink » et/ou « contact multiplication »). Ils peuvent aussi former des réseaux de lignes. L'épaisseur du guide 1, c'est-à-dire la hauteur des motifs 10, est avantageusement comprise entre 5 nm et 1000 nm, typiquement entre 20 nm et 300 nm.Seen from above, the
Dans ce mode de mise en oeuvre préférentiel, une étape de préparation de surface peut être réalisée pour favoriser la disposition des domaines du copolymère à blocs, par exemple perpendiculairement à la surface sur laquelle celui-ci sera déposé. Cette étape optionnelle F2 est représentée à la
Trois modes de préparation peuvent être envisagés pour obtenir trois types de configuration :
- l'ensemble de la surface des cavités 10 présente une affinité particulière pour l'un ou plusieurs des blocs du copolymère ;
- les flancs des cavités 10 présentent une affinité particulière pour un ou plusieurs des blocs du copolymère et le fond des cavités 10 est neutre par rapport aux blocs du copolymère ;
- l'ensemble de la surface des cavités 10 est neutre par rapport aux blocs du copolymère.
- the entire surface of the cavities has a particular affinity for one or more of the blocks of the copolymer;
- the flanks of the
cavities 10 have a particular affinity for one or more of the blocks of the copolymer and the bottom of thecavities 10 is neutral with respect to the blocks of the copolymer; - the entire surface of the
cavities 10 is neutral with respect to the blocks of the copolymer.
Pour qu'une surface présente une affinité particulière vis-à-vis d'un ou plusieurs blocs de copolymère, on peut y greffer un ou plusieurs homopolymères adaptés. La neutralisation de surface peut quant à elle être obtenue en greffant un copolymère statistique. Comme cela est visible sur la
D'autres façons de neutraliser le substrat peuvent être envisagées, notamment par traitement plasma, traitement UV, implantation ionique ou dépôt d'une monocouche auto-assemblée (SAM, « Self-Assembled Monolayer »). Le substrat peut également être choisi de sorte à favoriser la disposition des domaines de copolymère. Il n'est donc pas obligatoire de faire appel à une couche de neutralisation.Other ways of neutralizing the substrate can be envisaged, in particular by plasma treatment, UV treatment, ion implantation or deposition of a self-assembled monolayer (SAM). The substrate may also be chosen to promote the arrangement of the copolymer domains. It is therefore not mandatory to use a neutralization layer.
A l'étape F3 de la
Or, dans les procédés classiques d'auto-assemblage DSA, on évite de déposer une couche de trop forte épaisseur car, comme il sera décrit plus loin, l'assemblage d'un copolymère à blocs en dehors d'un guide provoque des défauts d'orientation.However, in conventional DSA self-assembly processes, it is avoided to deposit a layer of too great thickness because, as will be described later, the assembly of a block copolymer outside a guide causes defects orientation.
Le copolymère à blocs de la couche 4 peut être un copolymère di-blocs (deux monomères A et B) ou multi-bloc (plus de deux monomères), un mélange de polymères, un mélange de copolymères ou encore le mélange d'un copolymère et d'un homopolymère. Il peut être de morphologie quelconque, par exemple sphérique, cylindrique, gyroïde, lamellaire..., selon la proportion entre les blocs de monomère.The block copolymer of
Le matériau de la couche 4 est, par exemple, un copolymère di-bloc contenant un dérivé styrènique (typiquement du polystyrène, PS) et un dérivé de méthalcrylate (typiquement du polyméthacrylate de méthyle, PMMA). Avec 30% en poids de PMMA et 70 % en poids de PS, les domaines de PMMA sont, après assemblage, en forme de cylindres contenus dans une matrice de PS. Bien sûr, d'autres proportions entre les monomères peuvent être envisagées, afin d'obtenir des domaines de géométrie différente (lamellaire, sphérique...).The material of
Le dépôt de la couche de copolymère à blocs est, de préférence, réalisé par dépôt à la tournette (ou « spin coating » selon le terme anglais). Une solution contenant un solvant (par exemple du toluène ou de l'éther monométhylique de propylène glycol (PGMEA)) et le matériau copolymère (par exemple PS-b-PMMA) est étalée sur le substrat, par force centrifuge. Ce mode de dépôt est particulièrement adapté pour aplanir une topographie de surface, comme celle générée par les cavités du guide d'assemblage 1 sur le substrat 2.The deposition of the block copolymer layer is preferably carried out by spin coating (or "spin coating" according to the English term). A solution containing a solvent (for example toluene or propylene glycol monomethyl ether (PGMEA)) and the copolymer material (for example PS-b-PMMA) is spread on the substrate by centrifugal force. This deposition mode is particularly suitable for flattening a surface topography, such as that generated by the cavities of the assembly guide 1 on the
La planarisation d'une topographie de surface par dépôt à la tournette a fait l'objet de nombreuses études. En particulier, dans l'article ["
Ainsi, toutes les cavités ayant une largeur inférieure à la largueur critique wc peuvent être aplanies par le dépôt à la tournette. On peut en conclure qu'une cavité étroite (w faible) est plus facile à aplanir qu'une cavité large (w important). Par ailleurs, un champ de motifs 10 dense peut être considéré pendant le dépôt à la tournette comme une cavité unique et large. Dans l'exemple de guide d'assemblage de la
L'équation (1) ci-dessus ne prend pas en compte la viscosité du matériau polymère, car elle se fonde sur l'hypothèse que le matériau déposé à la tournette est un fluide newtonien, c'est-à-dire un fluide pour lequel la viscosité ne varie ni avec la vitesse de déformation, ni avec le temps. D'après L. E. Stillwagon et al., une deuxième équation peut alors être introduite pour prendre en compte le fait que la réponse d'un matériau polymère soumis à une force peut s'étaler dans le temps. Cette équation définit le temps tp nécessaire pour remplir complètement la cavité avec un matériau polymère visqueux après l'arrêt de la tournette et s'écrit :
On constate que plus le matériau polymère est visqueux (η élevé), plus le temps d'attente tp est grand. En outre, le temps d'attente tp augmente lorsque l'épaisseur de la couche déposée diminue. Il est donc difficile d'obtenir une fine couche plane avec un matériau fortement visqueux par dépôt à la tournette.It is found that the higher the viscous material material (high η), the longer the waiting time t p is. In addition, the waiting time t p increases when the thickness of the deposited layer decreases. It is therefore difficult to obtain a thin flat layer with a highly viscous material by spin coating.
Grâce aux enseignements de cet article, et compte tenu de l'application envisagée ici, il est possible de former une couche de copolymère à blocs 4 d'épaisseur sensiblement identique sur toutes les zones du substrat, y compris les zones 20a et 20b ayant des taux d'ouverture différents. La viscosité de la solution contenant le copolymère à blocs est en effet faible (proche de celle du solvant de dissolution), par exemple inférieure à 1.3 cP. En outre, les épaisseurs de la couche 4 déposée à l'étape F3 sont bien plus importantes que dans le procédé de l'art antérieur (car on dépasse le guide 1), de sorte que la couche plane 4 peut être obtenue quasiment instantanément après l'arrêt de la tournette.Thanks to the teachings of this article, and taking into account the application envisaged here, it is possible to form a layer of
L'épaisseur de la couche de copolymère 4 déposée sur le substrat 2 est avantageusement comprise entre 1 fois et 2 fois l'épaisseur du guide d'assemblage 1. Les conditions du dépôt, telles que la vitesse de rotation, le pourcentage massique de copolymère à blocs dans la solution de dépôt et la durée de rotation, pourront être déterminées empiriquement, car la quantité de copolymère nécessaire pour remplir entièrement le guide dépend évidemment du nombre et de la taille des motifs de guidage 10 formés sur le substrat, en particulier de leur hauteur. Diverses techniques de caractérisation morphologique, comme le profilomètre, permettent de vérifier que la couche 4 est plane en surface, synonyme que tous les motifs de guidage 10 sont remplis. Plusieurs exemples de ces conditions de dépôt seront donnés par la suite.The thickness of the
Le taux de planarisation obtenu en fonction de l'épaisseur de copolymère à blocs déposée a été étudié, notamment dans l'article [
Les conditions pour obtenir et contrôler l'épaisseur déposée sont déterminables à partir de lois expérimentales donnant :
- l'épaisseur d'un film en polymère en fonction de la vitesse de rotation, pour une viscosité donnée ;
- l'épaisseur du film en fonction de la concentration en polymère dans la solution de dépôt ; et
- la viscosité en fonction de la concentration en polymère dans la solution.
- the thickness of a polymer film as a function of the speed of rotation, for a given viscosity;
- the thickness of the film as a function of the polymer concentration in the deposition solution; and
- the viscosity as a function of the polymer concentration in the solution.
Ces lois peuvent être tirées de l'article [
La
Dans la portion 4b, les domaines du copolymère (ici du PS-b-PMMA) sont généralement mal orientés. Les domaines de PMMA et de PS peuvent s'agencer de façon aléatoire. On observe par exemple des défauts en surface de type orientation mixte, c'est-à-dire un mélange de cylindres de PMMA orientés parallèlement et perpendiculairement au substrat 2.In
Par contre, de façon surprenante, dans la portion 4a, les domaines du bloc PMMA et du bloc PS sont correctement orientés. Avec l'exemple de copolymère mentionné plus haut, les domaines de PMMA sont en forme de cylindres 41 perpendiculaires au substrat 2, chaque cylindre 41 étant entouré d'une matrice 42 de polystyrène.On the other hand, surprisingly, in the
Comme c'est le cas sur la
L'auto-assemblage des blocs est, de préférence, réalisé au moyen d'un traitement thermique ou recuit. La température et la durée du recuit sont avantageusement optimisées en fonction de l'épaisseur de la couche de copolymère 4. Plus la couche 4 est épaisse, plus la durée et/ou la température du recuit est importante. Par exemple, pour une épaisseur de couche d'environ 50 nm, un recuit de 2 min à 250 °C peut être réalisé dans le cas d'un copolymère PS-b-PMMA de période de 35 nm environ. L'assemblage du copolymère à blocs peut alternativement être obtenu par un traitement par ultrasons ou par une opération dite d'évaporation de solvant (« solvent annealing »), plutôt que par un traitement thermique, ou encore par une combinaison de ces deux techniques, ou bien par toute autre technique connue de l'homme du métier.The self-assembly of the blocks is preferably carried out by means of a heat treatment or annealing. The temperature and duration of the annealing are advantageously optimized as a function of the thickness of the
L'étape F5 de la
Dans un mode de mise en oeuvre de l'étape F5, l'amincissement de la couche de copolymère à blocs 4 est réalisé par polissage mécano-chimique (CMP, pour « Chemical Mechanical Planarization » en anglais).In one embodiment of step F5, the thinning of the
Dans une variante de mise en oeuvre, l'amincissement de la couche de copolymère 4 est réalisé par gravure plasma. La couche de SiARC 12 peut servir avantageusement de couche d'arrêt de la gravure. Elle permet alors de mieux contrôler l'amincissement et évite la détérioration des motifs de guidage 10. Dans le cas d'une intégration où le guide ne permet pas d'être utilisé comme couche d'arrêt (exemple du guide en résine), il est possible de créer cette couche d'arrêt avant le dépôt du copolymère à blocs, par exemple en densifiant la résine constituant le guide ou en déposant un oxyde sur le guide. Le dépôt de l'oxyde peut se faire par différentes techniques de dépôt (PECVD, ALD, PEALD...) afin d'être compatible avec le matériau constituant le guide en termes de température de dépôt. A titre d'exemple, une couche de dioxyde de silicium SiO2 peut être déposée sur le guide en résine par PEALD (« Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition ») à une température de 50 °C ou la résine du guide peut être densifiée pendant 50 secondes par un plasma HBr (100 sccm) sous une pression de 5 mTorr et avec une puissance de 1200 W. L'oxyde est un matériau facilement intégrable mais il peut être remplacé par tout autre matériau remplissant le rôle de couche d'arrêt lors de l'amincissement du polymère et dont le dépôt est compatible avec le guide.In an alternative embodiment, the thinning of the
Les gaz pouvant être utilisés pour graver les copolymères à blocs sont, par exemple, O2, CO, CO2, H2, N2.... Ces gaz peuvent être combinés entre eux (ex. CO/O2, CO/H2...) ou avec d'autres gaz inertes (ex. Ar/O2, Ar/N2, He/O2...), polymérisants (i.e. carbonés, ex. CH4/O2) ou fluorés (CxFy/O2, CHxFy/O2, CxFy/H2, CHxFy/H2...). Un mélange de plusieurs types de gaz peut également être utilisé, ainsi que d'autres chimies de gaz : CxFy, SF6...The gases that can be used to etch block copolymers are, for example, O 2 , CO, CO 2 , H 2 , N 2 .... These gases can be combined with one another (eg CO / O 2 , CO / H 2 ...) or with other inert gases (eg Ar / O 2 , Ar / N 2 , He / O 2 ...), polymerizing (ie carbonated, eg CH 4 / O 2 ) or fluorinated (C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 ...). A mixture of several types of gas can also be used, as well as other gas chemistries: C x F y , SF 6 ...
A titre d'exemple, le plasma est généré à partir d'un mélange de gaz Ar/O2, sous une pression de 10 mTorr, avec une puissance de 220 W et une tension de polarisation de 100 V. La quantité d'oxygène représente entre 9 % et 100 % du mélange. On peut ainsi graver le copolymère PS-b-PMMA de façon sélective par rapport au SiARC (une sélectivité supérieure à 20, par exemple de l'ordre de 40, peut ainsi être atteinte).For example, the plasma is generated from a mixture of Ar / O 2 gas, at a pressure of 10 mTorr, with a power of 220 W and a bias voltage of 100 V. The amount of oxygen represents between 9% and 100% of the mixture. It is thus possible to etch the copolymer PS- b -PMMA selectively with respect to SiARC (a selectivity greater than 20, for example of the order of 40, can thus be achieved).
Contrairement au polissage mécano-chimique, la gravure par plasma présente l'avantage de graver le copolymère sans détériorer le guide d'assemblage 1. En effet, compte tenu que la portion organisée 4a du copolymère à blocs se trouve à l'intérieur du guide 1, le polissage mécano-chimique a pour effet de raboter le guide en même temps que le copolymère à blocs pour atteindre l'épaisseur souhaitée, par exemple 70 nm dans un guide de 125 nm de hauteur. A l'inverse, un procédé de gravure par plasma peut laisser intact le guide d'assemblage, du fait de sa grande sélectivité par rapport au(x) matériau(x) qui constitue(nt) le guide d'assemblage.Unlike chemical mechanical polishing, plasma etching has the advantage of etching the copolymer without damaging the assembly guide 1. Indeed, given that the organized
Enfin, dans une autre variante de mise en oeuvre, l'amincissement de la couche de copolymère est réalisé par voie humide, assistée ou non d'une exposition aux ultraviolets. Les solutions liquides permettant de graver les copolymères à blocs sont des solvants, comme le PGMEA, le toluène et le cyclohexane. La solution choisie ne grave pas le guide d'assemblage. Afin de contrôler au mieux l'amincissement et l'épaisseur de copolymère à blocs restant dans le guide, la surface de la couche de copolymère peut être préalablement modifiée par un plasma en utilisant un gaz comme He, Ar, HBr, N2, CH4, CO, H2, CxFy, CxHy, CHxFy ... ou une combinaison de plusieurs de ces gaz (ex. Ar/H2, He/CH4). La partie ainsi modifiée par plasma est ensuite retirée sélectivement par voie humide laissant dans le guide uniquement la partie non modifiée. Par exemple, le plasma de modification chimique est généré à partir du gaz Ar sous une pression de 10 mTorr, avec une puissance de 500 W et une tension de polarisation de 300 V.Finally, in another variant embodiment, the thinning of the copolymer layer is carried out wet, with or without the presence of ultraviolet exposure. Liquid solutions for etching block copolymers are solvents, such as PGMEA, toluene and cyclohexane. The chosen solution does not aggravate the assembly guide. In order to better control the thinning and the thickness of block copolymer remaining in the guide, the surface of the copolymer layer may be previously modified by a plasma using a gas such as He, Ar, HBr, N 2 , CH 4 , CO, H 2 , C x F y , C x H y , CH x F y ... or a combination of several of these gases (eg Ar / H 2 , He / CH 4 ). The portion thus modified by plasma is then selectively removed by wet leaving in the guide only the unmodified portion. For example, the chemical modification plasma is generated from Ar gas at a pressure of 10 mTorr, with a power of 500 W and a bias voltage of 300 V.
Toujours dans un souci de contrôler au mieux l'amincissement et l'épaisseur de copolymère à blocs restant dans le guide, plusieurs étapes de gravure plasma et gravure humide peuvent alterner afin d'avoir une gravure précise de la couche de copolymère. Cette approche reprend le principe des nouvelles techniques de gravures ALE (« Atomic Layer Etching » en anglais), qui reposent sur des cycles de gravure plasma/dépôt ou des cycles de gravure plasma/humide, sur l'utilisation de gaz pulsé ou sur l'utilisation d'une tension RF lors de la gravure plasma. Toutes ces techniques peuvent être utilisées durant les étapes d'amincissement afin d'avoir un meilleur contrôle de l'épaisseur gravée de copolymère à blocs et de celle restante dans le guide.Still in order to better control the thinning and the thickness of block copolymer remaining in the guide, several plasma etching and wet etching steps can alternate in order to have an accurate etching of the copolymer layer. This approach takes up the principle of the new ALE (Atomic Layer Etching) etching techniques, which rely on plasma / deposition etching cycles or plasma / wet etching cycles, on the use of pulsed gas or on use of RF voltage during plasma etching. All of these techniques can be used during the thinning steps to have better control of the etched block copolymer thickness and the one remaining in the guide.
Il est préférable, en cas d'amincissement par gravure plasma notamment, de réaliser l'assemblage du copolymère à blocs avant l'amincissement de la couche 4, et non pas après, car l'amincissement pourrait altérer une des deux phases du copolymère, de sorte qu'il devienne difficile de séparer ces deux phases.It is preferable, in the case of thinning by plasma etching in particular, to carry out the assembly of the block copolymer before the thinning of
Le procédé comporte ensuite une étape F6 (cf.
Des motifs 43 sont alors obtenus dans une couche résiduelle 42 composée uniquement de l'autre phase du copolymère, le polystyrène. La résolution de ces motifs secondaires 43 est très élevée, car du même ordre de grandeur que les domaines de PMMA.
De préférence, le retrait des cylindres de PMMA (étape F6) est réalisé dans le même bâti de gravure plasma que l'amincissement de la couche de copolymère (étape F5).Preferably, the removal of the PMMA cylinders (step F6) is performed in the same plasma etching frame as the thinning of the copolymer layer (step F5).
Une première stratégie consiste à réaliser les deux étapes simultanément, en utilisant un seul plasma avec des mélanges de gaz (gaz réactif/inerte ou gaz réactif/polymérisant) tels que Ar/O2, CxFy, SF6, N2/H2, CO/O2, CO/H2, CH4/O2, CxFy/O2, CHxFy/O2, CxFy/H2, CHxFy/H2 et CxHy/H2. Pour pouvoir réaliser avec le même plasma ces deux étapes, la sélectivité entre le polystyrène et le PMMA durant cette gravure sera avantageusement comprise entre 1 et 5.A first strategy consists of carrying out both steps simultaneously, using a single plasma with gas mixtures (reactive / inert gas or reactive / polymerizing gas) such as Ar / O 2 , C x F y , SF 6 , N 2 / H 2 , CO / O 2 , CO / H 2 , CH 4 / O 2 , C x F y / O 2 , CH x F y / O 2 , C x F y / H 2 , CH x F y / H 2 and C x H y / H 2 . To be able to achieve with the same plasma these two steps, the selectivity between polystyrene and PMMA during this etching is advantageously between 1 and 5.
Une deuxième stratégie consiste à réaliser plusieurs étapes de gravure successives au sein d'un même équipement, pour d'abord amincir la couche de copolymère à blocs, puis retirer le PMMA sélectivement par rapport au PS, avec des chimies de gravure différentes entre les deux étapes. A titre d'exemple, on peut réaliser l'amincissement grâce à un plasma CF4 (pas de sélectivité entre PMMA et PS) puis retirer le PMMA grâce à un plasma CO/O2 (sélectivité PMMA/PS > 10), ce qui permet contrôler indépendamment l'amincissement et le retrait du PMMA par gravure plasma. On peut aussi procéder par alternance d'au moins deux plasmas pour encore améliorer ce contrôle, c'est-à-dire en réalisant des cycles de gravure successifs (par exemple Ar, Ar/O2, Ar... ou CF4, CO/H2, CF4... ou CO, CO/H2, CO...).A second strategy is to perform several successive etching steps within the same equipment, first to thin the block copolymer layer, then remove the PMMA selectively relative to the PS, with etching chemistries different between the two steps. For example, thinning can be achieved with a CF 4 plasma (no selectivity between PMMA and PS) and PMMA removal by means of a CO / O 2 plasma (PMMA / PS> 10 selectivity). allows independent control of the thinning and removal of PMMA by plasma etching. It is also possible to proceed by alternating at least two plasmas to further improve this control, that is to say by performing successive etching cycles (for example Ar, Ar / O 2 , Ar ... or CF 4 , CO / H 2 , CF 4 ... or CO, CO / H 2 , CO ...).
Bien que cette approche soit moins avantageuse, les deux étapes F5 et F6 peuvent faire appel à deux équipements différents. L'amincissement de la couche de copolymère peut être réalisé avec un plasma sans sélectivité vis à vis du SiARC, du PMMA ou du PS, en utilisant notamment des chimies fluorés (ex. CF4), tandis que le retrait du PMMA est réalisé par d'autres voies que la gravure plasma, par exemple par voie humide.Although this approach is less advantageous, the two steps F5 and F6 can use two different equipment. The thinning of the copolymer layer may be carried out with a plasma without selectivity with respect to SiARC, PMMA or PS, especially using fluorinated chemistries (eg CF 4 ), while the removal of PMMA is carried out by other ways than plasma etching, for example wet.
Enfin, à l'étape F7 de la
Des essais ont été réalisés sur un substrat muni d'un guide d'assemblage ayant une hauteur d'environ 125 nm et un taux d'ouverture variable. Les motifs de guidage considérés sont des cylindres de taille unique. Le taux d'ouverture, qui équivaut donc ici à une densité de motifs
Pour ces essais, différentes conditions de dépôt du copolymère par « spin-coating » ont été envisagées :
- conditions de l'essai n°1 : vitesse de rotation d'environ 2000 tours/min, 0.5 % en poids de copolymère dans la solution de dépôt et temps de rotation d'environ 20 s;
- conditions de l'essai n°2 : vitesse de rotation d'environ 1000 tours/min, 1.5 % en poids de copolymère dans la solution de dépôt et temps de rotation d'environ 20 s; et
- conditions de l'essai n°3 : vitesse de rotation d'environ 1000 tours/min, 3 % en poids de copolymère dans la solution de dépôt et temps de rotation d'environ 20 s
- conditions of Test No. 1: rotational speed of about 2000 rpm, 0.5% by weight of copolymer in the deposition solution and rotation time of about 20 s;
- conditions of Test No. 2: rotational speed of about 1000 rpm, 1.5% by weight of copolymer in the deposition solution, and rotation time of about 20 seconds; and
- conditions of Test No. 3: rotational speed of about 1000 rpm, 3% by weight of copolymer in the deposition solution and rotation time about 20 s
A titre de comparaison, le même copolymère a été étalé avec les mêmes conditions de dépôt sur des substrats « témoins » sans motifs de guidage, pour déterminer l'épaisseur équivalente de copolymère sur une surface sans topographie.By way of comparison, the same copolymer was spread with the same deposition conditions on "control" substrates without guide patterns, to determine the equivalent thickness of copolymer on a surface without topography.
Dans les conditions de l'essai n°1, l'épaisseur équivalente de la couche de copolymère (mesurable sur le substrat témoin, par exemple par ellipsométrie) est d'environ 12 nm. Sur le substrat avec le guide d'assemblage, on observe au microscope électronique à balayage que certains motifs de guidage ne sont pas entièrement remplis par le matériau copolymère. La quantité déposée de copolymère est donc insuffisante et une couche plane n'est pas atteinte.Under the conditions of Test No. 1, the equivalent thickness of the copolymer layer (measurable on the control substrate, for example by ellipsometry) is about 12 nm. On the substrate with the assembly guide, it is observed under a scanning electron microscope that certain guide patterns are not completely filled by the copolymer material. The amount of copolymer deposited is therefore insufficient and a flat layer is not reached.
Ce premier essai reflète des conditions d'obtention de motifs selon le procédé de l'art antérieur (où il n'y a ni étape de planarisation, ni étape d'amincissement). Les valeurs d'épaisseur obtenues dans le guide après assemblage diffèrent selon la densité des motifs de guidage : typiquement 120 nm pour une densité de motifs de 0.01, 120 nm pour une densité de 0.04 et 50 nm pour une densité de 0.2 (mesures AFM).This first test reflects the conditions for obtaining patterns according to the method of the prior art (where there is no planarization step, or thinning step). The thickness values obtained in the guide after assembly differ according to the density of the guiding units: typically 120 nm for a density of patterns of 0.01, 120 nm for a density of 0.04 and 50 nm for a density of 0.2 (AFM measurements) .
Dans les conditions de l'essai n°2, l'épaisseur équivalente de la couche de copolymère est d'environ 50 nm et tous les motifs de guidage sont entièrement recouverts par le copolymère à blocs. Une étape d'amincissement, par plasma Ar/O2, succède au dépôt à la tournette et à l'assemblage du copolymère. Elle comporte une première étape de gravure d'environ 20 s pour atteindre la surface du guide (i.e. la couche de SiARC) puis une seconde étape, dite de sur-gravure, d'environ 5 s pour atteindre la portion organisée de la couche de copolymère.Under the conditions of Test No. 2, the equivalent thickness of the copolymer layer is about 50 nm and all the guide patterns are fully covered by the block copolymer. A thinning step, by Ar / O 2 plasma, succeeds the spin coating and the assembly of the copolymer. It comprises a first etching step of about 20 s to reach the surface of the guide (ie the SiARC layer) and a second step, called over-etching step, of about 5 s to reach the organized portion of the coating layer. copolymer.
Après assemblage et amincissement, la couche de copolymère à blocs assemblé dans le guide mesure 110 nm d'épaisseur où la densité des motifs de guidage est égale à 0.01, 100 nm d'épaisseur où la densité vaut 0.04 et 85 nm d'épaisseur où la densité vaut 0.2 (mesures AFM).After assembly and thinning, the block copolymer layer assembled in the guide measures 110 nm in thickness, where the density of the guiding units is 0.01, 100 nm thick, where the density is 0.04 and 85 nm in thickness. the density is 0.2 (AFM measurements).
Enfin, dans les conditions de l'essai n°3, l'épaisseur équivalente de la couche de copolymère est d'environ 120 nm. Tous les motifs sont également enterrés par le matériau copolymère à blocs. L'opération d'amincissement qui suit l'assemblage est identique à celle décrite dans l'essai n°2, sauf en ce qui concerne la durée des deux étapes de gravure : environ 46 s pour la première étape et 12 s pour la seconde étape de sur-gravure. On constate sur les images AFM, qu'après assemblage et amincissement, l'épaisseur de la couche de copolymère à blocs est identique dans toutes les zones du guide d'assemblage, c'est-à-dire quelle que soit la densité des motifs de guidage. Elle vaut approximativement 70 nm.Finally, under the conditions of Test No. 3, the equivalent thickness of the copolymer is about 120 nm. All the patterns are also buried by the block copolymer material. The thinning operation following the assembly is identical to that described in Test No. 2, except as regards the duration of the two etching steps: approximately 46 s for the first step and 12 s for the second step step of over-engraving. It can be seen in the AFM images that, after assembly and thinning, the thickness of the block copolymer layer is identical in all the zones of the assembly guide, that is to say whatever the density of the patterns guidance. It is approximately 70 nm.
La
On constate sur ce graphique que le procédé selon l'invention permet d'atténuer de façon significative la variation d'épaisseur au sein d'un guide d'assemblage de densité variable. En effet, en déposant l'équivalent d'une couche de 50 nm d'épaisseur, la variation d'épaisseur au sein du guide atteint seulement 30 % (courbe du milieu), contre 70 % dans le procédé de l'art antérieur (courbe du haut). En déposant l'équivalent d'une couche de 120 nm d'épaisseur, une épaisseur uniforme i.e. une variation nulle) peut être atteinte. Cette homogénéité d'épaisseur, obtenue grâce à la combinaison des étapes de planarisation et d'amincissement, permettra de transférer par gravure aussi bien des trous de contact denses que des trous de contact isolés, avec un minimum de défauts (contacts manquants ou sur-gravés).It can be seen from this graph that the method according to the invention makes it possible to significantly reduce the variation in thickness within a variable density assembly guide. Indeed, by depositing the equivalent of a 50 nm thick layer, the variation in thickness within the guide reaches only 30% (middle curve), compared to 70% in the method of the prior art ( top curve). By depositing the equivalent of a 120 nm thick layer, a uniform thickness i.e. a zero variation) can be achieved. This homogeneity of thickness, obtained thanks to the combination of the planarization and thinning steps, will allow to transfer by engraving both dense contact holes and isolated contact holes, with a minimum of defects (missing contacts or over- etched).
L'écart entre la courbe d'épaisseur équivalente 50 nm et la courbe d'épaisseur équivalente 120 nm s'explique par le fait qu'une meilleure planéité est obtenue dans le deuxième cas (épaisseur plus importante ; cf. équation n°2). Néanmoins, comme discuté précédemment, on constate déjà une nette amélioration dans l'épaisseur finale du copolymère assemblé (et donc dans le transfert ultérieur des motifs) à partir de 50 nm. Par conséquent, les conditions du dépôt pourront être choisies pour déposer une couche de copolymère à blocs ayant une épaisseur équivalente supérieure à 50 nm et, de préférence, supérieure à 120 nm.The difference between the 50 nm equivalent thickness curve and the 120 nm equivalent thickness curve is explained by the fact that a better flatness is obtained in the second case (greater thickness, see equation n ° 2). . Nevertheless, as previously discussed, there is already a clear improvement in the thickness final of the assembled copolymer (and thus in the subsequent transfer of the patterns) from 50 nm. Consequently, the deposition conditions may be chosen to deposit a layer of block copolymer having an equivalent thickness greater than 50 nm and preferably greater than 120 nm.
Comme cela est illustré sur la
Naturellement, le procédé de réalisation de motifs selon l'invention n'est pas limité au mode de réalisation qui vient d'être décrit en référence aux
Par exemple, l'étalement de la couche de copolymère à blocs à l'étape F3 (
Bien que cette solution soit moins avantageuse, il est possible de réaliser l'amincissement de la couche de copolymère à blocs avant que celui-ci ne soit assemblé. On réduit dans ce cas l'épaisseur de la couche de copolymère à blocs jusqu'à atteindre une épaisseur qui correspond à la future portion organisée du copolymère à blocs. Des essais préalables auront permis de déterminer en dessous de quelle hauteur se situe la portion organisée de copolymère, et donc jusqu'où amincir la couche de copolymère.Although this solution is less advantageous, it is possible to thin the block copolymer layer before it is assembled. In this case, the thickness of the block copolymer layer is reduced to a thickness corresponding to the future organized portion of the block copolymer. Preliminary tests have made it possible to determine below what height is the organized portion of copolymer, and thus up to where to thin the copolymer layer.
On peut aussi prévoir l'amincissement en deux étapes, successives ou séparées chronologiquement par l'étape d'assemblage du copolymère à blocs. Autrement dit, la première de ces étapes peut être réalisée avant assemblage du copolymère à blocs et la deuxième étape après l'assemblage. On utilisera par exemple une technique de gravure agressive lors de la première étape, afin de « dégrossir » la couche de copolymère, et une technique de gravure moins agressive pour la deuxième étape, afin d'obtenir une couche de copolymère amincie avec un meilleur état de surface (i.e. plus lisse). Par ailleurs, les différents modes d'amincissement décrits plus haut (CMP, gravure plasma, gravure humide) peuvent être combinés, par exemple CMP pour la première étape et gravure plasma pour la deuxième étape.It is also possible to provide the thinning in two stages, successive or separate chronologically by the step of assembling the block copolymer. In other words, the first of these steps can be performed before assembling the block copolymer and the second step after assembly. For example, an aggressive etching technique will be used during the first step in order to "rough-cut" the copolymer layer, and a less aggressive etching technique for the second step, in order to obtain a thinned copolymer layer with a better state. surface (ie smoother). Moreover, the various modes of thinning described above (CMP, plasma etching, wet etching) can be combined, for example CMP for the first step and plasma etching for the second step.
En outre, d'autres matériaux que ceux cités précédemment peuvent être utilisées, notamment pour la couche de copolymère à blocs, par exemple PS-b-PLA : polystyrène-block-acide polylactique, PS-b-PEO: polystyrène-block-polyoxyde d'éthylène, PS-b-PDMS : polystyrène-block-polydiméthylsiloxane, PS-b-PMMA-b-PEO : polystyrène-block-polyméthylméthacrylate-block-polyoxyde d'éthylène, PS-b-P2VP : polystyrène-block-poly(2vinylpyridine). De même, le masque dur dans lequel est formé le guide d'assemblage peut être en nitrure de titane (TiN), en nitrure de silicium (SiN) et/ou en dioxyde de silicium (SiO2), plutôt qu'un empilement SiARC/SOC. Le nombre et l'épaisseur des couches de masque dur sont également susceptibles de varier, selon la nature du copolymère à blocs et les techniques de gravure utilisées. Par ailleurs, une intégration du copolymère à blocs directement dans un masque en résine peut également être envisagée.In addition, other materials than those mentioned above can be used, especially for the layer of block copolymer, for example PS-b-PLA: polystyrene-block-polylactic acid, PS-b-PEO: polystyrene-block-polyoxide ethylene, PS-b-PDMS: polystyrene-block-polydimethylsiloxane, PS-b-PMMA-b-PEO: polystyrene-block-polymethylmethacrylate-block-polyethylene oxide, PS-b-P2VP: polystyrene-block-poly (2-vinylpyridine). Similarly, the hard mask in which the assembly guide is formed can be made of titanium nitride (TiN), silicon nitride (SiN) and / or silicon dioxide (SiO 2 ), rather than a SiARC stack. / SOC. The number and thickness of the hard mask layers are also likely to vary, depending on the nature of the block copolymer and the etching techniques used. Furthermore, integration of the block copolymer directly into a resin mask can also be envisaged.
Enfin, les étapes de planarisation et d'amincissement décrites ci-dessus peuvent être employées dans une intégration hybride mêlant grapho-épitaxie et chémo-épitaxie, dans la mesure où le substrat présente une topographie - même très faible (supérieure à 5 nm) - permettant l'assemblage du copolymère à blocs.Finally, the planarization and thinning steps described above can be used in a hybrid integration combining grapho-epitaxy and chemo-epitaxy, insofar as the substrate has a topography - even very small (greater than 5 nm) - allowing the assembly of the block copolymer.
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